Un étudiant en physique peut rencontrer la gravité en physique de deux manières différentes: comme l'accélération due à gravité sur la Terre ou d'autres corps célestes, ou comme force d'attraction entre deux objets quelconques dans le univers. En effet, la gravité est l'une des forces les plus fondamentales de la nature.
Sir Isaac Newton a développé des lois pour décrire les deux. Deuxième loi de Newton (Frapporter = ma) s'applique à toute force nette agissant sur un objet, y compris la force de gravité subie à l'emplacement de tout grand corps, comme une planète. La loi de la gravitation universelle de Newton, une loi du carré inverse, explique l'attraction ou l'attraction gravitationnelle entre deux objets.
La force de la gravité
La force gravitationnelle subie par un objet dans un champ gravitationnel est toujours dirigée vers le centre de la masse qui génère le champ, comme le centre de la Terre. En l'absence de toute autre force, il peut être décrit en utilisant la relation newtonienne
Tous les objets à l'intérieur d'un champ gravitationnel, comme toutes les roches sur Mars, subissent la mêmeaccélération vers le centre du champ agir sur leurs masses.Ainsi, le seul facteur qui modifie la force de gravité ressentie par différents objets sur la même planète est leur masse: plus la masse est élevée, plus la force de gravité est grande et vice versa.
La force de gravitéestson poids en physique, bien que familièrement le poids soit souvent utilisé différemment.
Accélération due à la gravité
Deuxième loi de Newton,Frapporter = ma, montre qu'unforce nettefait accélérer une masse. Si la force nette provient de la gravité, cette accélération est appelée accélération due à la gravité; pour les objets proches de grands corps particuliers comme les planètes, cette accélération est approximativement constante, ce qui signifie que tous les objets tombent avec la même accélération.
Près de la surface de la Terre, cette constante se voit attribuer sa propre variable spéciale :g. "Petit g", commegest souvent appelé, a toujours une valeur constante de 9,8 m/s2. (L'expression "petit g" distingue cette constante d'une autre constante gravitationnelle importante,g, ou "grand G", qui s'applique à la loi universelle de la gravitation.) Tout objet tombé près de la surface de la Terre tombent vers le centre de la Terre à un rythme toujours croissant, chaque seconde passant 9,8 m/s plus vite que la seconde précédente.
Sur Terre, la force de gravité sur un objet de massemest:
F_{grav}=mg
Exemple avec gravité
Les astronautes atteignent une planète lointaine et découvrent qu'il faut huit fois plus de force pour y soulever des objets que sur Terre. Quelle est l'accélération due à la gravité sur cette planète ?
Sur cette planète, la force de gravité est huit fois plus grande. Puisque les masses d'objets sont une propriété fondamentale de ces objets, elles ne peuvent pas changer, cela signifie que la valeur degdoit aussi être huit fois plus grand :
8F_{grav}=m (8g)
La valeur degsur Terre est de 9,8 m/s2, donc 8 × 9,8 m/s2 = 78,4 m/s2.
La loi universelle de la gravitation de Newton
La seconde des lois de Newton qui s'appliquent à la compréhension de la gravité en physique résulte de la perplexité de Newton à travers les découvertes d'un autre physicien. Il essayait d'expliquer pourquoi les planètes du système solaire ont des orbites elliptiques plutôt que des orbites circulaires, comme observé et mathématiquement décrit par Johannes Kepler dans son ensemble de lois éponymes.
Newton a déterminé que les attractions gravitationnelles entre les planètes à mesure qu'elles se rapprochaient et s'éloignaient les unes des autres jouaient dans le mouvement des planètes. Ces planètes étaient en fait en chute libre. Il a quantifié cette attraction dans sonLoi universelle de la gravitation:
F_{grav}=G\frac{m_1m_2}{r^2}
OùFgrave est encore la force de gravité en Newtons (N),m1etm2sont les masses des premier et deuxième objets, respectivement, en kilogrammes (kg) (par exemple, la masse de la Terre et la masse de l'objet près de la Terre), etré2est le carré de la distance qui les sépare en mètres (m).
La variableg, appelé "grand G", est la constante gravitationnelle universelle. Ila la même valeur partout dans l'univers. Newton n'a pas découvert la valeur de G (Henry Cavendish l'a trouvée expérimentalement après la mort de Newton), mais il a trouvé la proportionnalité de la force à la masse et à la distance sans elle.
L'équation montre deux relations importantes :
- Plus l'un des objets est massif, plus l'attraction est grande. Si la lune était soudainementdeux fois plus massiftelle qu'elle est actuellement, la force d'attraction entre la Terre et la Lunedouble.
- Plus les objets sont proches, plus l'attraction est grande. Parce que les masses sont liées par la distance qui les sépareau carré, la force d'attractionquadruplerchaque fois que les objets sontdeux fois plus près. Si la lune était soudainementla moitié de la distanceà la Terre telle qu'elle est actuellement, la force d'attraction entre la Terre et la Lune seraitquatre fois plus grand.
La théorie de Newton est également connue sous le nom deloi du carré inverseà cause du deuxième point ci-dessus. Cela explique pourquoi l'attraction gravitationnelle entre deux objets diminue rapidement lorsqu'ils se séparent, beaucoup plus rapidement que si l'on changeait la masse de l'un ou des deux.
Exemple avec la loi universelle de la gravitation de Newton
Quelle est la force d'attraction entre une comète de 8 000 kg située à 70 000 m d'une comète de 200 kg ?
\begin{aligned} F_{grav} &= 6,674×10^{−11} \frac{m^3}{kgs^2} (\dfrac{8 000 kg × 200 kg}{70 000^2}) \\ & = 2,18 × 10^{−14} \end{aligné}
La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein
Newton a fait un travail incroyable en prédisant le mouvement des objets et en quantifiant la force de gravité dans les années 1600. Mais environ 300 ans plus tard, un autre grand esprit - Albert Einstein - a défié cette pensée avec une nouvelle façon et une façon plus précise de comprendre la gravité.
Selon Einstein, la gravité est une distorsion deespace-temps, le tissu de l'univers lui-même. La masse déforme l'espace, comme une boule de bowling crée un retrait sur un drap de lit, et des objets plus massifs comme des étoiles ou des trous noirs se déforment l'espace avec des effets facilement observables dans un télescope - la courbure de la lumière ou un changement de mouvement d'objets proches de ces masses.
La théorie de la relativité générale d'Einstein a fait ses preuves en expliquant pourquoi Mercure, la petite planète la plus proche au soleil dans notre système solaire, a une orbite avec une différence mesurable par rapport à ce qui est prédit par les lois de Newton.
Alors que la relativité générale est plus précise pour expliquer la gravité que les lois de Newton, la différence dans les calculs utilisant l'une ou l'autre est perceptible pour la plupart uniquement sur des échelles "relativistes" - en regardant des objets extrêmement massifs dans le cosmos, ou une lumière proche vitesses. Par conséquent, les lois de Newton restent utiles et pertinentes aujourd'hui pour décrire de nombreuses situations du monde réel que l'humain moyen est susceptible de rencontrer.
La gravité est importante
La partie "universelle" de la loi universelle de la gravitation de Newton n'est pas hyperbolique. Cette loi s'applique à tout ce qui a une masse dans l'univers! Deux particules s'attirent, tout comme deux galaxies. Bien sûr, à des distances suffisamment grandes, l'attraction devient si faible qu'elle est effectivement nulle.
Étant donné l'importance de la gravité pour décrirecomment toute la matière interagit, les définitions anglaises familières dela gravité(selon Oxford: « importance extrême ou alarmante; gravité") ougravité(« dignité, gravité ou solennité des manières ») revêtent une importance supplémentaire. Cela dit, quand quelqu'un fait référence à la "gravité d'une situation", un physicien peut encore avoir besoin d'éclaircissements: entend-on par grand G ou petit g ?